汽车发动机冷却系介绍.pdf

什么叫冷却系?内燃机是将燃烧的化学能转变为机械能的 装置,在内燃机不断地工作中,其燃料燃烧的 温度达2000。以上,为保证机械连续有效地 工作,必须对相应部件采取冷却措施,尤其是 其气缸周围更为重要。对发动机进行冷却必须 由一系列零、部件协调工作来完成,其通常称 为冷却系。冷却系的作用保证机件的正常温度,机械强度及合理间隙保证燃烧室正常温度,避免异常燃烧,优化性能冷却糸的作用保持发动机在最适宜的温度范围内工作.发动机工作时,由于燃料的燃烧,气缸内气体温 度高达2200K2800K(1927 2527),大约 1/3 做功转变为机械能,其余大部分随废气排出,其 余则被发动机零件吸收,使发动机零部件温度升 高,特别是直接与高温气体接触的零件,若不及 时冷却,则难以保证发动机正常工作。保证发动机在所有工况下在最适宜的温度范围内 工作。既要防止发动机夏天过热,又要防止发动 机冬季过冷。在冷启动时还要保证发动机能迅速 升温,尽快达到正常的工作温度。发动机的热平衡燃料放出的热量废气排出热量 35%气缸壁传出热 量30%输出功的热量加%苴它执 量5%发动机过热或过冷的危害-1.发动机过热的危害 1）降低充气效率,使发动机功率下降;2）早燃和爆燃的倾向加大,使零件因承受额外冲击性负 荷而造成早期损坏;3）运动件的正常间隙（热胀冷缩）被破坏,运动阻滞,磨损加剧,甚至损坏;4）润滑情况恶化,加剧了零件的摩擦磨损；5）零件的机械性能降低,导致变形或损坏。充气效率:是指每个进气行程所吸入的空气质量与标准状态下（1个大气压、20。、密度为 1.187kg/m2 占有气缸活塞行程容积的干燥空气质量的比值。发动机过热或过冷的危害 2.发动机过冷的危害 1）进入气缸的混合气（或空气）温度太低,可燃混合 气品质差（雾化差）,使点火困难或燃烧迟缓,导致发动机功率下降,燃料消耗量增加（热量流 失过多,燃油凝结流进曲轴箱）。2）燃烧生成物中的水蒸汽易凝结成水而与酸性气 体形成酸类,加重了对机体和零件的侵蚀作用;3）未汽化的燃料冲刷和稀释零件表面（气缸壁、活 塞、活塞环等）上的油膜,使零件磨损加剧。4）润滑油黏度增大,流动性差,造成润滑不良,加剧机件磨损,增大功率消耗发动机的冷却方式 根据所用冷却介质不同,可分为水冷式和风冷 式。1.水冷式以水为冷却介质,热量先由机件 传给水,靠水的流动把热量带走而后散入大气 中。散热后的水再重新流回到受热机件处。适 当调节水路和冷却强度,就能保持发动机的正 常工作温度。同时,还可用热水预热发动机,便于冬季起动。2.风冷式高温零件的热量直接散入大气。水冷发动机的正常工作温度水冷式发动机保持正常工作,其冷却水的温度 353K-363K(80-90 此时,气缸壁温 BXL473K-573K(200 V-300);气缸盖、活塞 顶咅B的温度不超过573K673K(300 0400;润滑 油343K-363K(7090),保证发动机具 有较好的动性、经济性和净化性,使零件的运动和 磨损正常。发动机水冷糸的组成散热器百叶窗=_三=_=三:节温器挂泵 分水管如今发动机多采用风扇离合器结构 如:硅油风扇离合器、电子风扇离 合器、电磁风扇离合器等。冷却水和防冻1.冷却水的选择:使用软水,即含矿物质少的水。2B防冻液(1).作用:冬季,可在冷却水中加入适量防冻液可以 降低冰点。(2),配成防冻液的材料:乙二醇或酒精(3).使用乙二醇配制的注意点:1)切勿用口吸;2)乙二醇对橡胶有腐蚀作用;3)乙二醇吸水性强,表面张小;4)切勿混入石油产品。冷却介质循环路线空气流、土n水箱 水泵分水管 气缸套冷却7 m-0水温高于80,走大循环水温低于80走小循环却介质循环 水泵结构1.法兰盘2.水泵壳体3.水泵轴连轴 承4.水密封5.叶轮4JB1水泵零部件水封座泵体型腔4JB1水泵零部件水泵轴连轴承水泵轴连轴承密 封端盖4JB1水泵零部件水泵叶轮4JB1水泵零部件 水密封 土主生女:动环,多为陶瓷;幣;碳化硅J rSU,弹簧1_水封座,密封胶*水泵工作原理1.作用:对冷却水加压,使之在冷却系中循环流动。由于离心式水泵具有尺寸小,出水量大,结构简单,损坏后不妨碍水在冷却系中自然 循环的特点,故为强制循环式冷却系普遍采用。常见的水泵在机体外安装与风扇同轴 驱动,也有装在机体内(内藏式)单独驱动的。2.离心式水泵的工作原理(1)压水:如图所示。当叶轮旋转时,水泵中的水被叶轮带动起旋转,由于离心力的 作用,水被甩向叶轮边缘,在蜗形壳体内将动能转变为压能,经外壳上与叶轮成切线 方向的出水管被压送到发动机水套内。(2)吸水：与压水同时,叶轮中心处压降低,散热器中的水便经进水管3被吸进叶轮中 心部分。水泵溢水扎的作用溢水孔作为排气孔,由于水密封在装配 日寸各配合面均属于过盈酉合,如 不排气将很难实现装配。即使装 入,后期也极可能被密闭加压的 气体顶出,从而造成水泵失效。作为观察孔,观察水泵是否漏水。作为排水孔,排出水泵漏出的水。如果溢水孔被堵死,泄漏的水就 会进入轴承内,破坏润滑环境,严重的将会损坏轴承。水泵的专做一）、产生原因当水泵运行时,如果叶轮叶片入口处某局部的 绝对压等于或低于所输送液体温度下的汽化 压,液体便发生汽化,产生许多气泡,气泡 内将充满蒸汽和液体中析出的气体。这些气泡 随着液体带到叶轮高压区,在高压的作用下迅 速凝结而破裂,在此同时,周围的流体质点以 高速冲向原来气泡占有的空间,厦点相互撞击 而形成高频的局部水击,压可高达上千兆帕。这水击会金属表面形成持续、反复的冲宙,导致金属表面疲劳而破坏,这种破坏称为机械 剥蚀。水泵的卷穢在气泡破裂所释放的凝结潜热的助长下,原气 泡内的活泼气体又会对金属产生化学腐蚀作用,加剧了材料的破坏。金属表面在机械剥蚀和化 学腐蚀的长期联合作用下,会出现蜂窝状破坏,这种现象称为汽蚀现象。二）、汽蚀对水泵产生的危害-1、缩短泵的使用寿命:由于机械剥蚀和化学 腐蚀使叶轮和蜗壳多处变得粗糙多孔,产生显 微裂纹,严重时出现蜂窝状侵蚀,甚至产生空 洞。水泵的年做-2、影响泵的性能:汽蚀发生时液体的汽化以及液体中 气体的析出,形成了大量气泡,使液流的过流断面面 积减小,局部区域流速加大,并产生涡流,以致流动 损失增大,严重还有可能出现断流,因此汽蚀会导致 泵的扬程和效率降低。-3、产生振动和噪声:汽蚀发生时,局部水击会产生许 多不同频率范围内的噪声,如果水击的频率和机组的 固有频率接近将会引起机组振动。机组的振由又会促 使更多气泡的产生和破灭。这种相互激励,最后可能 导致机组的强烈振动,称之为汽蚀共振。如果机组发 生汽蚀共振必须紧急停止水泵运行水泵专体的原因及处理方法气蚀原因处理方法吸水管路堵塞清除杂物,保持吸水流道畅通原设计不合理优化设计吸水管路水温过高,超过吸入口压对应的 饱和温度降低进水温度泵的流道不光整,导致泵压衰减修整泵的流道专住的计算气蚀系数:&气蚀压:PQ40KPa时,系统可稳定工作硅油风扇寓合器结构硅油风扇,合器结构1.主动轴2.密封圈3B売体4B轴承5B主动盘6.十字螺钉7B双头螺栓8.盖体9B分压板出油口10.感温圈11.阀销轴12.密封圈13.阀片14.分压板15.回油口16.储油腔17.工作腔硅油风扇,合器的作用及工作原理风扇是发动机功率的消耗者,最大时约为发动机 功率的10%。为了降低风扇功率消耗,减少噪声和磨 损,防止发动机过冷,降低污染,节约燃料,多采用 风扇离合器。硅油风扇离合器的使用条件:1、发动机前置2、发动机纵置3、发动机直接驱动电磁风扇离合器的使用条件:1、发动机直接驱动电子风扇离合器的使用条件:电机驱动硅油风扇寓合器的作用及工作原理当发动机冷起动或小负荷下工作时,冷却水及通过散热器 的气流温度不高,出油孔(9)被阀片(13)关闭,工作 腔内残存硅油,离合器处于分离状态。主动轴(1)转动 时,仅仅由于轴承(4)的摩擦和残留硅油的粘性,使风 扇随同壳体(3)在主动轴上空转打滑,转速极低。(A)当发动机负荷增加时,冷却水及通过散热器的气流温 度随之升高,感温器(10)受热变形而带动阀片轴(11)转动。当流经感温器的气流温度超过(65)时,出油孔 被完全打开,于是硅油从储油腔(16)进入工作腔(17)主动盘(5)即利用硅油的粘性带动売体和风扇转动。风 扇离合器处于啮合状态,风扇转速迅速提高。硅油风扇寓合器的作用及工作原理(B)为了不使工作腔中硅油温度过高而粘度下降,使硅油在壳体内不断循环。由于主动板转速高于 从动板(壳体),因此受离心力作用从主动板甩 向工作腔外缘的油压高,油液从工作腔经回油 孔(15)流向贮油腔,而贮油腔又经出油孔及时 向工作腔补充油液。为使硅油从工作腔流回贮油 腔的速度加快,缩短风扇脱开时间,在从动板的 回油孔旁,有一个刮油突起部伸入工作腔缝隙内,使回油侧压升高,回油加快。硅油风扇寓合器的作用及工作處理(C)当发动机负荷减小,流经感温器的气 流温度低于(35)时,感温器恢复原状阀片 将出油孔关闭,工作腔中的硅油继续从回 油孔流回贮油腔,直至甩空为止。风扇离 合器又回到分离状态。未来冷却系的发展方向随着发动机采用更加紧凑的设计和具有更大 的比功率,发动机产生的废热密度也随之明显增 大。些关键区域,如排气门周围散热问题需优 先考虑,冷却系统即便出现小的故障也可能在这 样的区域造成灾难性的后果。发动机冷却系统的 散热能般应满足发动机满负荷时的散热需求,因为此时发动机产生的热量最大。然而,在部分 负荷时,冷却系统会发生功率损失,水泵所提供 的冷却液流量超过所需的流量。我们希望发动机 冷启动时间尽可能短。因为发动机怠速时排放的 污染物较多,油耗也大。冷却系统的结构对发动 机的冷启动时间有较大的影响。未来冷却系的发展方向现代发动机冷却系统的特点传统冷却系统的作用是可靠地保护发动机,而还应 具有改善燃料经济性和降低排放的作用。为此,现代冷 却系统要综合考虑下面的因素:发动机内部的摩擦损失;冷却系统水泵的功率;燃烧边界条件,如燃烧室温度、充量密度、充量温度。先进的冷却系统采用系统化、模块化设计方法，统筹考虑每项影响因素，使冷却系统既保证发动机正常 工作,又提高发动机效率和减少排放。未来冷却系的发展方向温度设定点发动机工作温度的极限值取决于排气门周围区域最高温度。最理想的情况是按金属温度而不是冷却液温度控制冷却系统,这样才能更好地保护发动机。由于冷却 系统设定的冷却温度是以满负荷时最大散热率为基础,因此,发动机和冷却系统在部分负荷时处于不太理想状 态,如市区行驶和低速行驶时,会产生高油耗和排放。通过改变冷却液温度设定点可改善发动机和冷却系统在 部分负荷时的性能。根据排气门周围区域温度极限值,可升高或降低冷却液或金属温度设定点。升高或降低温 度点都各有特点,这取决于希望达到的目的。未来冷却系的发展方向提高温度设定点提高工作温度设定点是种比较受欢迎的方法。提高温度有 许多优点,它直接影响发动机损耗和冷却系统的效果以及发动机 排放物的形成。提高工作温度将提高发动机机油温度,降低发动 机摩擦磨损,降低发动机燃油消耗。研究表明,发动机工作温度对摩擦损失有很大影响。将冷却 液排出温度提高到150。,使气缸温度升高到195,油耗则下 降4%-6%。将冷却液温度保持在90-115。范围内,使发动机机 油的最高温度为140。,则油耗在部分负荷时下降10%。提高工作温度也明显影响冷却系统的效能。提高冷却液或金 属温度会改善发动机和散热气热传递的效果,降低冷却液的流速,减小水泵的额定功率,从而降低发动机的功率消耗。此外,可采 用不同的方式,进步减小冷却液的流速。未来冷却系的发展方向降低温度设定点降低冷却系统的工作温度可提高发动机充气效率,降低进气温度。这对燃烧过程、燃油效率及排放有利。降低温度设定点可以节省发动机运行成本,提高部件 使用寿命。研究表明,若气缸盖温度降低到50C,点火提前 角可提前3CA而不发生爆震,充气效率提高2%,发动 机工作特性改善,有助于优化压缩比和参数选择,取 得更好的燃油效率和排放性能。未来冷却系的发展方向精确冷却系统精确冷却系统主要体现在冷却水套的结构设计与冷却液 流速的设计中。在精确冷却系统中,热关键区,如排气门周 围,冷却液有较大的流速,热传递效率高,冷却液的温度梯 度变化小。这样的效果来自缩小这些地方冷却液通道的横截 面,提高流速,减少流量。精确冷却系统的设计关键在于确定冷却水套的尺寸,选 择匹配的冷却水泵,保证系统的散热能力能够满足低速大负 荷时关键区域工作温度的需求。发动机冷却液流速的变化范围相当大,从怠速时的1 m/s 到最大功率时的5 m/s故应将冷却水套和冷却系统整体考 虑,相互补充,发挥最大潜。研究表明,采用精确冷却系统,在发动机整个工作转速 范围,冷却液流量可下降40%。对气缸盖上冷却水套的精确 设计,可使普通冷却道的流速从1.4m/s提高到4 m/s,大大 提高气缸盖传热性,将气缸盖的金属温度降低到60。未来冷却系的发展方向分流的却系统分流/冷却系统为另外一种冷却系统。在这种冷却系统中,气缸盖和 气缸体由各自的液流回路冷却,气缸盖和气缸体具有不同的温度。分流式 的冷却系统具备特有的优势,可使发动机各部分在最优的温度设定点工作。冷却系统的整体效率达到最大。每个冷却回路将在不同冷却温度设定点或 流速下工作,创造理想的发动机温度分布。理想的发动机热工作状态是气缸盖温度较低而气缸体温度相对较高。气缸盖温度较低可提高充气效率,增大进气量。温度低且进气量大可促进 完全燃烧,降低CO,HC和NOx的形成,也提高输出功率。较高气缸体温 度会减小摩擦损失,直接改善燃油效率,间接地降低缸内峰值压和温度。分流式冷却系统可使缸盖和缸体温度相差100。气缸温度可高达150。,而缸盖温度可降低50,减少缸体摩擦损失,降低油耗。较高的缸体温度 使油耗降低4%-6%,在部分负荷时HC降低20%-35%。节气门全开时,缸 盖和缸体温度设定值可调到50C和90,从整体上改善燃油消耗、功率输 出和排放。未来冷却系的发展方向可控式发动机冷却系统传统的发动机冷却系统属于被动式的,结构简单或成本低。可控式冷却系统可弥补目前冷却系统的不足。现在冷却系统的 设计标准是解决满负荷时的散热问题,因而部分负荷时过大的 散热能力将导致发动机功率浪费。这对轻型车辆来说尤为明显,这些车辆大多数时间都在市区内部分负荷下行驶,只利用部分 发动机功率,引起冷却系统较高损耗。为解决发动机在特殊情 况下过热的问题,现在的冷却系统体积较大,导致冷却效率降 低,增大了冷却系统的功率需求,延长了发动机暖机时间。可 控式发动机冷却系统一般包括传感器、执行器和电控模块。可 控式冷却系统能够根据发动机工作状况调整冷却量,降低发动 机功率损耗。在可控式冷却系统中,执行器为冷却水泵和节温 器,一般由电动水泵和液流控制阀组成,可根据要求调整冷却 量。温度传感器为系统的一部分,可迅速把发动机的热状态传 给控制器。未来冷却系的发展方向可控式装置,颯电动水泵,可将冷却系温度设定 点从90C提高到110。,节省2%-5%的燃油,CO减 少20%,HC减少10%。稳定状态时,金属温度比传 统冷却系统的高10C,可控式冷却系统具有较快的响 应能力,可将冷却温度保持在设定点的2范围。从110。下降到100只需2s。发动机暖机时间减少 到200s,冷却系统工作范围更贴近工作极限区域,能 够缩小发动机冷却温度和金属温度的波动范围,减少 循环热负荷造成的金属疲劳,延长部件寿命。未来冷却系的发展方向前面介绍的几种先进冷却系统具有改善冷却系统性能的潜力,能够提高燃油经血性和理図!壟代起雲齊 的能控性是改善冷却系统的关键,能控性它不双客中以 2辞勾保护的关键参数,如金属温度、冷却液温壊和机油 儡假琴露够控制,确保发动机在安舍限度普里电工隹嬴 冷却系统能够对不同工运俵也慘導区整最大地节省燃 料、降低排放,而不影响发动机整体性能。宀从设计和使用性能角度看，分崎冷感気!彎體 相结合具有很好的发展前景,既能提供理想的发动、机保 賞;険髄緣繼貪缗Z聲樂秋耕編書 成发动机理想的温度分布。豆壁厠气亚善口臭i色 给冷却液,减少了气缸盖温度变化,使缸遍盪度学史事 取油和缸体温度保持床设计的工作氾围,具有较低的摩擦报失和污染排放量。加均匀,也